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有一种胖,反而有利于心血管健康!「肥胖悖论」新证据,源于脂肪

丁香学术

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导读


随着人们生活水平的提高,肥胖在人群中已经越来越普遍。肥胖者体内的代谢应激会使脂肪组织逐渐功能失调,导致其线粒体萎缩和死亡。人们饮食中过量的卡路里会产生脂质,但不健康的脂肪丧失了储存能力,从而引发全身性脂毒性和胰岛素抵抗。像心脏这样重要的器官,必然具有代偿性机制,启动防御措施来防止脂毒性。但心脏如何感知脂肪的功能失调状态尚不清楚

2020 年 8 月 17 日,来自美国德克萨斯大学西南医学中心的 Philipp E. Scherer 团队等在 Cell Metabolism 上发表了题为 Extracellular vesicle-based interorgan transport of mitochondria from energetically stressed adipocytes 的研究性论文。

研究揭示脂肪细胞通过快速释放小细胞外囊泡(Small extracellular vesicles, sEV) 来响应线粒体应激,这些 sEVs 中含有呼吸能力但氧化受损的线粒体颗粒,这些颗粒进入循环并被心肌细胞吸收,触发心肌产生 ROS,以保护心肌细胞免受急性氧化应激。

这项研究有助于解释「肥胖悖论」,即与瘦人相比,肥胖者的短期和中期心血管疾病预后更好,但长期结果更差。通过更好地了解脂肪发出的「求救信号」,我们或许能够利用这一机制来改善肥胖和非肥胖人群的心脏健康状况。

图片来源: Cell metabolism


研究内容

线粒体应激刺激脂肪细胞 sEV 释放

为了建立脂肪细胞与心肌细胞 ROS 介导的通讯机制,研究者构建了 FtMT 过表达的诱导型、组织特异性小鼠模型(本文称为 adipo-FtMT 小鼠)。 与对照细胞相比,adipo-FtMT 脂肪细胞表现出更高的氧化应激水平。

实验结果表明,dox-HFD 喂养的 adipo-FtMT 小鼠心脏组织的蛋白质羰基化水平显著升高,且线粒体 H2O2 产生水平较对照小鼠显著增加。研究者根据这些数据提出大胆假设,即体内存在一种内分泌机制将促氧化信号从脂肪细胞传递到心肌

接下来,研究者通过纳米粒子追踪分析测量,发现食用 dox-HFD 3 周的 Adipo-FtMT 小鼠的循环 sEV 水平显著升高。进一步,利用中性鞘磷脂酶抑制剂 GW4869 阻断外泌体的产生,实验结果表明 dox-HFD 喂食 4 小时后,GW4869 完全阻止了 adipo-FtMT 小鼠心脏氧化应激的诱导。这些数据证明促氧化信号通过 sEV 从脂肪细胞传递到心脏

图片来源: Cell metabolism

接下来,采用体外培养方法,直接检测脂肪细胞和心肌细胞之间的 sEV ROS 信号。从喂食 dox-HFD 3 周的 adipo-FtMT 小鼠中分离出血清 sEVs,CellROX 测量结果表明用 adipo-FtMT 小鼠的 sEV 处理的细胞呈现最高的氧化应激水平。

为了确定脂肪细胞来源的 sEVs 是否直接被心肌细胞吸收,从体外分化的脂肪细胞的条件培养基中纯化 sEVs,用荧光染料 PHK26 标记,并用这些标记的 sEVs 处理心肌细胞。通过评估转移的荧光量,观察到心肌细胞吸收了脂肪细胞 sEVs,且 adipo-FtMT 脂肪细胞来源的 sEVs 处理的心肌细胞显著诱导了氧化应激
图片来源: Cell metabolism

随后,研究人员进行了体内实验验证。从 adipo-FtMT 脂肪细胞的培养基中获取 sEV,并用 PKH26 荧光染料标记,静脉注射进小鼠体内,证实脂肪细胞 sEV 进入心脏。结果显示来自野生型、健康培养的脂肪细胞的 sEV 注射到喂普通饮食的小鼠体内时不会在心脏中产生氧化应激

同时,研究者探索了脂肪细胞在能量压力下产生的 sEVs 是否可以促进心脏产生 ROS。利用棕榈酸酯处理培养脂肪细胞,诱导细胞线粒体功能障碍,(sEVPA),并将其注射入小鼠,并辅以高脂饮食喂养,检测 PC、mitoP/B、Catalase(CAT)、棕榈酸氧化和海马分析心脏线粒体功能,得到的数据提示棕榈酸酯处理的脂肪细胞 sEV 刺激 ROS 产生,并导致心脏组织的线粒体功能障碍

图片来源: Cell metabolism

为了评估脂肪细胞线粒体功能障碍与 sEV 释放之间的关系,研究人员对 adipo-FtMT 成熟体外分化脂肪细胞释放量,以及白色或棕色脂肪细胞暴露于各种 ETC 抑制剂后的 sEV 的数量进行计数,发现线粒体能量应激刺激脂肪细胞释放 sEV
脂肪细胞应激诱导的 sEV 富含氧化损伤的线粒体

研究者探索了脂肪细胞 sEV 促氧化特性的分子介质。Western blot 发现 Adipo-FtMT 脂肪细胞的 sEVs 富含线粒体蛋白。基础状态下,脂肪细胞释放含有线粒体蛋白的 sEV,但脂肪细胞各种因素(如 Adipo-FtMT、ETC 抑制剂、棕榈酸)诱导的在能量应激时,其 sEV 的线粒体蛋白水平显著升高。此外,与瘦小鼠相比,从肥胖小鼠血清中分离的 sEV 含有更多的线粒体蛋白

由于在 EV 中已经报道了 mtDNA 和蛋白质,因此研究者开发了一种海马程序,检测血清 sEVs 中是否存在完整的、有呼吸能力的线粒体。有趣的是,在氧化应激下由脂肪细胞产生的 sEVs 可能含有氧化损伤但功能正常的线粒体成分

图片来源: Cell metabolism

来自应激脂肪细胞的 sEV 中的线粒体诱导心脏组织中的 ROS 爆发

这些线粒体的特性让人想到一类细胞内囊泡——线粒体来源的囊泡(MDV),其从线粒体出芽形成,以响应线粒体氧化应激。

结果发现,adipo-FtMT 小鼠的棕色脂肪组织确实产生了更多的 MDV。从 Parkin-/- 脂肪细胞释放的 sEV 显示出线粒体蛋白减少,如果向野生型小鼠注射棕榈酸酯处理的 Parkin-/- 脂肪细胞来源的 sEV,没有检测到心脏中的 ROS 产生,这表明包装到 sEV 中的线粒体诱导心脏产生 ROS

图片来源: Cell metabolism

为了在体内可视化从脂肪细胞到心肌的 MDV 转移,研究人员构建了一个可诱导的小鼠模型,该模型在脂肪细胞中选择性地表达线粒体定位的 Flag 标签(adipo-mitoFlag)。

11 周的 dox-HFD 饮食后,adipo-mitoFlag 小鼠的血清 sEV 和整个心脏组织中都检测到了 Flag 标签。通过对 Flag 和心肌肌钙蛋白免疫荧光染色确定 Flag 信号定位于心肌细胞。此外,Flag 信号在慢性 dox-HFD 饮食小鼠分离的心脏线粒体中富集,表明脂肪细胞来源的线粒体可能会整合到心肌细胞网络中
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图片来源: Cell metabolism

脂肪细胞 sEV 在小鼠急性心肌梗死期间保护心脏组织

心肌梗塞是超重和肥胖患者的常见疾病,为了确定心肌细胞中脂肪细胞 sEVs 介导的 ROS 产生在急性心肌梗死状态下是否是病理性的,研究人员进行了如下实验:
图片来源: Cell metabolism

令人惊讶的是,与接受 PBS 的小鼠相比,缺血前接受 sEVPA 注射的小鼠的循环肌钙蛋白显著减少。心脏组织的 TTC 染色、马松三色染色均表明用 sEVPA 治疗的小鼠,心肌梗死面积减小,且射血分数和缩短分数也显著保留。总之,这些数据表明,肪细胞传送到心肌细胞的 ROS 并没有加重心梗,而是促进了心脏弹性

图片来源: Cell metabolism

肥胖、代谢异常的人体中循环 sEV 显著升高

最后,研究者在人类样本上进行了检测,结果显示代谢不健康的肥胖患者(MUO)的血浆样本中的 sEV 水平显著升高。此外,在 MUO 组中检测到了与 sEV 相关的 mtDNA,而在健康的瘦对照组和健康的肥胖组的 sEV 中,除了一个受试者样本外,其他所有样本中都检测不到 mtDNA。

有趣的是,无论代谢健康状况如何,两个肥胖组在 sEV 中包含的线粒体蛋白和氧化蛋白都显著高于瘦人组。这些数据表明,肥胖者体内循环 sEV 相关线粒体可能具有生理作用。

图片来源: Cell metabolism


结语

本研究通过体内体外实验,揭示了慢性肥胖者在能量应激时,脂肪细胞会释放含有受损线粒体的 sEV。在心脏组织中,sEV 相关的线粒体诱导瞬时线粒体氧化应激,导致抗氧化反应,保护心脏缺血/再灌注损伤

更具有重要意义的是,在肥胖人类的脂肪组织中也观察到了线粒体的细胞外囊泡的释放,这表明在小鼠身上观察到的影响也同样发生在人身上。

该研究的共同第一作者 Clair Crewe 博士,解释说:「肥胖的代谢应激逐渐使脂肪组织功能失调,导致其线粒体收缩和死亡。最后,不健康的脂肪失去了储存食物中过量卡路里产生的脂质的能力,通过脂质对其他器官造成毒害。包括心脏在内的一些器官,似乎采取先发制人的防御措施,以防止脂肪造成的伤害。」

「通过更好地了解脂肪发出的求救信号,」Crewe 博士说,「我们也许能够利用这种机制来改善肥胖和非肥胖人群的心脏健康。」

图片来源: Cell metabolism


题图来源: 站酷海洛
参考文献:
[1] Crewe, Clair, Jan-Bernd Funcke, Shujuan Li, Nolwenn Joffin, Christy M. Gliniak, Alexandra L. Ghaben, Yu A. An et al. "Extracellular vesicle-based interorgan transport of mitochondria from energetically stressed adipocytes." Cell Metabolism (2021).


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